Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Tm3+; các đồng pha tạp Tm3+/Ho3Tm3+/Ho3+/Yb3+ trên nền vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal, được tổng hợp từ thành phần chính TeO2–Al2O3–BaF2–Na2O. Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Thulium ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA thông qua các sự kết hợp của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+, Tm3+và Yb3+.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đoàn Thị Phúc NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA THULIUM TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG TDFA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------- Đoàn Thị Phúc NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA THULIUM TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG TDFA Chuyên ngành : Vật lý kĩ thuật Mã số : 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1 : TS. Hồ Kim Dân Hướng dẫn 2 : TS. Nguyễn Trọng Thành Khánh Hòa – 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn: “Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA” là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tất cả sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố. Học viên Đoàn Thị Phúc
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tác giả đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các cấp lãnh đạo, thầy cô giáo, anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Hồ Kim Dân đã tận tình hướng dẫn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo, các Khoa, Phòng của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc sỹ. Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc sỹ. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo của Viện nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học. Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tôi rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để luận văn hoàn thiện hơn. Học viên Đoàn Thị Phúc
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Transmission electron Kính hiển vi điện tử TEM microscopy xuyên qua Differential thermal analysis DTA Phân tích nhiệt vi sai XRD X-ray diffraction Thiết bị nhiễu xạ tia X MUX Multiplexing Ghép kênh Optical - Electric Converter Bộ chuyển đổi quang O/E điện Wavelength Division Ghép kênh phân chia WDM Multiplexing theo bước sóng LD Laser Diode Diode laser LED Light Emitting Diode Diode phát quang Một nửa giá trị cực đại FWHM Full Width at Half Maximum của hàm truyền đạt Thuliium Doped Fiber Khuếch đại quang sợi TDFA Amplifier pha tạp Erbium Doped Fiber Khuếch đại quang sợi EDFA Amplifier pha tạp Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước DWDM Multiplexing sóng mật độ cao
DANH MỤC CÁC BẢNG Chương 1: Bảng 1.1. Sự phân chia các băng tần trong WDM . ........................................ 15 Bảng 1.2. Bảng so sánh giữa CWDM và DWDM . ........................................ 17 Chương 2: Bảng 2.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho các mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(23-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3 ................... 28 Bảng 2.2. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho các mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(21-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xHo2O3- 2Yb2O3 ..... 28 Bảng 2.3. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22.5-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3-0.5 Ho2O3 ................................................................................................................. 29 Bảng 2.4: Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22.5-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3-xHo2O3 ............... 29 Bảng 2.5. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(19.5-z)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–ZHo2O3–3Yb2O3. 30 Bảng 2.6. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–0.5Ho2O3–xAgNPs ................................................................................................................. 30 Bảng 2.7. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(19-q)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–0.5Ho2O3– 3Yb2O- xAgNPs ................................................................................................... 31
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách (B.L) trong khoảng thời gian 1850 đến 2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới. .......................................................................................... 8 Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang.................................. 9 Hình 1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang ......................... 10 Hình 1.4. Cấu trúc tổng quát sợi quang. ......................................................... 11 Hình 1.5. Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM .......................... 15 Hình 1.6. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM .................... 16 Hình 1.7. Bộ khuếch đại TDFA ...................................................................... 20 Hình 1.8. Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích.............................................................................. 21 Hình 1.9. Cơ chế bơm của TDFA được bơm 1050nm.................................... 22 Hình 1.10. Ứng dụng của khuếch đại quang TDFA ....................................... 23 Hình 1.11. Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh ........... 25 Hình 2.1. Biểu đồ xác định thành phần trạng thái thủy tinh TeO2–Al2O3– BaF2–Na2O từ 3 thành phần chính TeO2, Al2O3, BaF2. .......................... 27 Hình 2.2. Ảnh mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm nguyên thủy sau khi đun nóng chảy đổ ra khuôn ..................................................................................... 34 Hình 2.3. Hình ảnh chụp một vài mẫu thủy tinh thu được trong quá trình thí nghiệm. .................................................................................................... 34 Hình 2.4. Quy trình thí nghiệm tạo mẫu gốm thủy tinh, phân tích DTA, XRD, và đo đạc các thông số quang phổ, lifetime. ........................................... 35 Hình 2.5. Giao diện sử dụng phần mềm TA-60 kèm theo thiết bị đo Shimadzu DTA-60AH để phân tích nhiệt DTA....................................................... 36 Hình 2.6. Kết quả phân tích nhiệt DTA của thủy tinh TABN ....................... 36 Hình 2.7. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ (XRD) của thủy tinh TABN ....... 37 Hình 2.8. Mối quan hệ giữa kích thước tinh thể nano BaF2 và nhiệt độ xử lý nhiệt. ........................................................................................................ 38 Hình 2.9. Kết quả phân tích TEM của mẫu gốm thủy tinh TABN-570. ........ 39 Hình 2.10. Kết quả phân tích HRTEM của mẫu gốm thủy tinh TABN-57 .... 39
Hình 2.11. Giao diện sử dụng phần mềm UV/VIS Hitachi U-4100 đo quang phổ hấp thụ .............................................................................................. 40 Hình 2.12. Giao diện sử dụng phần mềm ZOLIX-SBP300 đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại.................................................................................... 41 Hình 2.13. Giao diện sử dụng phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị Edinburgh Instruments FLS980 dùng đo thời gian sống. ....................... 42 Hình 3.1. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Tm3+ trong mẫu thủy tinh Tellurite TABN-0.5Tm. ......................................................................................... 44 Hình 3.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại (NIR) của đơn tạp Tm 3+ trong mẫu thủy tinh Tellurite TABN-0.5Tm. ................................................... 45 Hình 3.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại (NIR) của đơn tạp Tm 3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm-glass và các mẫu gốm thủy tinh TABN- 0.5Tm-530, TABN-0.5Tm-542, TABN-0.5Tm-560, TABN-0.5Tm-570. ................................................................................................................. 46 Hình 3.4. Mối quan hệ giữa nhiệt độ xử lý nhiệt và cường độ phát xạ cận hồng ngoại của Tm3+ tại 1454 nm và 1801 nm. ...................................... 47 Hình 3.5. Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+ và các chuyển tiếp của phát xạ NIR đơn tạp Tm3+ ............................................................................... 48 Hình 3.6. Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong mẫu gốm thủy tinh Tellurite TABN-0.2Ho2Yb chứa tinh thể nano BaF2. ..................... 49 Hình 3.7. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong các mẫu gốm thủy tinh Tellurite TABN-xHo2Yb (x = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, và 1.0 mol. %) dưới kích thích bước sóng 980 nm LD ..................................... 50 Hình 3.8. FWHM của quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong khoảng bước sóng 1400 nm đến 2200 nm dưới bước sóng kích thích 980 nm LD. .................................................................................... 51 Hình 3.9. Giản đồ các mức năng lượng của Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp của phát xạ NIR đồng pha tạp Ho3+/Yb3+. ..................................................... 52 Hình 3.10. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+, đồng pha tạp Ho3+/Tm3+, đồng pha tạp Ho3+/Tm3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh TABN . 53
Hình 3.11. FWHM của quang phổ phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+, đơn tạp Ho3+ và đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD............................................................................................................ 54 Hình 3.12. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5TmxHo (x = 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD. ............................................ 56 Hình 3.13. Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+, Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+, Ho3+, Yb3+ và đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+. ................................................................... 57 Hình 3.14. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong các mẫu gốm thủy tinh TABN-yTm0.5Ho (y = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 và 0.6 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD. .............................. 58 Hình 3.15. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5TmzHo3Yb (z = 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 980 nm LD. ........................ 59 Hình 3.16. Thời gian sống của của Ho3+ trong các mẫu thủy tinh các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5TmzHo (z = 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD. .................................................... 60 Hình 3.17. Kết quả phân tích TEM của mẫu gốm thủy tinh TABN- 0.5Tm0.5Ho-2Ag khi xử lý nhiệt ở 570 oC. ........................................... 61 Hình 3.18. Quang phổ hấp thụ của các mẫu gốm thủy tinh TABN- 0.5Tm0.5Ho, TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb và TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb-2Ag. ................................................................................................................. 62 Hình 3.19. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho-pAgNPs (p = 2, 4, 6, 8 và 10 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD. .................................................... 63 Hình 3.20. Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ với nồng độ mol. % của AgNO3 khi kích thích bước sóng 808 nm LD. .................................................................................................... 64 Hình 3.21. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb-qAgNPs (q = 2, 4, 6, 8 và 10 mol. %) dưới kích thích của bước sóng 980 nm LD. ............................................ 65
Hình 3.22. Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ với nồng độ mol. % của AgNO3 khi kích thích của bước sóng 980 nm ............................................................................................ 66 Hình 3.23. Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+, Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+, Ho3+, Yb3+ thông qua AgNPs......... 67
1 MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 7 1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG ........................................................... 7 1.1.1. Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang. ......................................... 7 1.1.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang. ............................ 11 1.1.3. Các công nghệ truyền dẫn quang. ................................................. 12 1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM) ........................................................................................................ 14 1.2.1. Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM). 14 1.2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM. .................................... 15 1.2.3. Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM. ............................................ 17 1.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM. .................................... 17 1.3. BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG TDFA ............................................ 18 1.3.1. Tổng quan về bộ khuếch đại quang TDFA ................................... 18 1.3.2. Nguyên lý hoạt động của TDFA. .................................................. 21 1.3.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang TDFA. ................................. 23 1.4. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH GLASS- CERAMICS ................................................................................................ 24 1.4.1. Tổng quan về vật liệu thủy tinh. ................................................... 24 1.4.2. Tổng quan về vật liệu gốm thủy tinh. ........................................... 25 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 27 2.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................ 27 2.2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM ................................................................... 27 2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM. .................................................................................................... 33 2..3.1.Quy trình thí nghiệm ..................................................................... 33 2.3.2. Phân tích nhiệt DTA. .................................................................... 35 2.3.3. Đo XRD, TEM. ............................................................................. 37
2 2.3.4. Phân tích quang phổ hấp thụ. ........................................................ 39 2.3.5. Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại. ............................... 40 2.3.6. Phân tích lifetimes. ........................................................................ 41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 44 3.1. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐƠN TẠP Tm3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2. ............................................................................ 44 3.1.1. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2. ......................................................................... 44 3.1.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2. ................................... 45 3.1.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 khi xử lý nhiệt độ. ..... 46 3.2. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐỒNG PHA TẠP Ho3+/Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2.......................................... 48 3.2.1. Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 .................................................... 49 3.2.2. Quang phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 .................................... 50 3.2.3. Giản đồ mức năng lượng và quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+ và Yb3+. ................................................................................... 51 3.3. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP Tm3+/Ho3+/Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2.......................................... 52 3.3.1. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+, đồng pha tạp Ho3+/Tm3+, đồng pha tạp Ho3+/Tm3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh TABN. 52 3.3.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+ và đồng pha tạp Ho3+/Tm3+ trong gốm thủy tinh TABN. ....................... 54 3.4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA AgNPs ĐẾN BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CÁC ĐỒNG PHA TẠP Tm3+/Ho3+/Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ BaF2.. 61 3.4.1. Kết quả phân tích TEM ................................................................. 61 3.4.2. Quang phổ hấp thụ của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ và Tm3+/Ho3+/Yb3+ dưới sự ảnh hưởng của AgNPs. .................................... 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................ 67
3 4.1. KẾT LUẬN .......................................................................................... 69 4.2. KIẾN NGHỊ. ........................................................................................ 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 72
4 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các dịch vụ trên mạng internet, các ứng dụng đa phương tiện,…đòi hỏi các mạng truyền thông phải phát triển về phần cứng lẫn phần mềm. Nhiều công nghệ, kỹ thuật đã ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu về băng thông để tăng lưu lượng truyền dẫn. Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (WDM: Wavelength Division Multiplexing) với những ưu thế vượt trội đã được triển khai ứng dụng nhiều trong các hệ thống truyền dẫn quang. WDM cho phép truyền dẫn nhiều dạng tín hiệu khác nhau trên cùng một sợi quang. Trong các hệ thống truyền dẫn quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì tín hiệu truyền đi suy giảm bởi sự phân tán và tổn thất trong sợi quang. Vì vậy, cần phải có giải pháp để bù lại tổn thất, suy giảm trong sợi quang. Để thực hiện điều này, các bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại tín hiệu để bù lại sự suy giảm tín hiệu trong sợi quang. Các hệ thống truyền dẫn quang thực tế thường dùng dựa trên các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA), với băng tần S (1460 – 1530 nm) và băng tần C (1530 – 1565 nm). Tuy nhiên, khi lưu lượng thông tin trong hệ thống truyền thông quang sử dụng WDM tăng nhanh, cần phải mở rộng phạm vi bước sóng và phát triển các bộ khuếch đại trong dải băng tần L (1565 – 1625 nm) và băng tần U (1625 – 1675 nm). Bộ khuếch sợi quang pha tạp Thulium (TDFA) được phát triển mở rộng băng thông của bộ khuếch đại EDFA trong dải bước sóng cận hồng ngoại. Từ những cơ sở trên, tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA”. Trong đề tài này tác giả tập trung nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của các đơn tạp Tm3+, Ho3+ và các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal. Đồng thời, nghiên cứu ảnh hưởng của AgNPs đến băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang
5 TDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1450 nm đến 1800 nm. Cơ sở khoa học của đề tài : + Đề tài nghiên cứu, phát triển vật liệu dựa trên những kiến thức có sẵn từ những tài liệu khoa học về vật lý chất rắn, bộ khuếch đại sợi quang. Đề tài nghiên cứu dựa trên các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước cũng như quốc tế về vật liệu quang ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA. Cơ sở thực tiễn của đề tài: + Nghiên cứu, chế tạo vật liệu gốm thủy tinh Tellurite (Tellurite glass ceramics) với thành phần chính TeO2–Al2O3–BaF2–Na2O (viết tắt: TABN) được tổng hợp bằng kỹ thuật nóng chảy thông thường. + Nghiên cứu, chế tạo, đưa các thành phần đơn tạp Yb3+, Ho3+ và Tm3+; các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ vào vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal để tạo ra vật liệu có thể ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1450 nm đến 1800 nm. + Nghiên cứu, chế tạo mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Thulium để ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA thông qua các cơ chế kết hợp của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+, Tm3+ và Yb3+. Mục đích của đề tài. Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Tm 3+; các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ trên nền vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal, được tổng hợp từ thành phần chính TeO2– Al2O3–BaF2–Na2O. Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Thulium ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA thông qua các sự kết hợp của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+, Tm3+ và Yb3+. Ngoài ra, đề tài cũng nghiên cứu ảnh hưởng của AgNPs đến cường độ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm
6 thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal. Bố cục luận văn Nội dung chi tiết của luận văn bao gồm phần mở đầu và 3chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu. Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chương 4: Kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận văn và kiến nghị.
7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1.1. Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang. 1.1.1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên gọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô tuyến). Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con người. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có những ưu, nhược điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa. Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm [1]. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang được khái quát như sau: Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như dùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang. Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết. Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ở cách xa nhau. Sau đó, A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m. Đến đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s và chuẩn SONET [1]. Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp [1]. Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế hệ:
8 Thế hệ thứ nhất hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ở Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km [1]. Thế hệ thứ hai làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể đạt tới 4Gb/s với khoảng cách lặp là khoảng 40km [1]. Thế hệ thứ ba sử dụng laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy hao trên sợi quang khoảng 0,2 dB/km, nhưng có hệ số tán sắc cao, có thể đạt đến tốc độ khoảng 10Gb/s ở khoảng cách từ 60÷70 km [1]. Thế hệ thứ tư sử dụng khuếch đại quang EDFA, TDFA và ghép kênh quang theo bước sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ khoảng 5Gb/s ở khoảng cách 14300 km và đến năm 2000 đã có thể đạt được tốc độ khoảng 100Gb/s xuyên qua Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6) [1]. Thế hệ thứ năm nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn siliton) [1]. Hình 1.1. Sự tăng trưởng về tích tốc độ-khoảng cách (B.L) trong khoảng thời gian 1850 đến 2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới.
9 Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin. Năng lực của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp. Việc ra đời các hệ thống truyền dẫn quang với sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ thống mạng viễn thông và được minh họa qua hình 1.1 Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông [1]. 1.1.1.2. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang Một hệ thống quang được tổ chức như hình 1.2. Nguồn Phần tử Biến Biến Phần tử Nguồn tin điện đổi E/O đổi O/E điện tin Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang. Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản Phần tử điện: Có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Bộ biến đổi E/O: Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần…). Sợi quang: Là môi trường truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ. Bộ biến đổi quang điện O/E: Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở đầu thu). Chuyển tiếp tín hiệu: Trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang) [2].
10 Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn và cự ly trạm lặp. Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên [1]. Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong hình 1.3. H Tín hiệu điện Máy phát Tín hiệu quang Bộ nối Mạch Mối hàn sợi điều Nguồn quang Tín khiển phát quang Sợi hiệu Bộ chia quang quang điện vào Thu quang Trạm lặp Mạch điện Các thiết bị khác Tín Phát quang Bộ khuếch hiệu đại Máy thu điện ra Khuếch Đầu thu Chuyển đại quang đổi tín quang hiệu Hình 1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang [3] Phần phát quang: Gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được sử dụng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode)[2,3]. Cáp quang: Gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi tác động có hại từ bên ngoài. So với các môi trường truyền dẫn khác thì